宋宇峰 呂 龍 耿建璞

(河北建勘鉆探設(shè)備有限公司,河北 石家莊051134)

1 引言

鉆井作業(yè)不僅投資大,風險性也比其他行業(yè)高,工作環(huán)境惡劣、工作載荷大、危險系數(shù)高,鉆井裝備的技術(shù)含量直接影響著鉆井速度、工作人員及設(shè)備的安全和經(jīng)濟效益。目前,我國與國外先進鉆井技術(shù)相比相對落后。隨著石油鉆井裝備制造企業(yè)科研資金投入的加大,石油開采單位新技術(shù)在鉆機中應(yīng)用研究的加快,我國將會大幅提高鉆井裝備水平,縮短與國外鉆井技術(shù)差距,推動我國石油鉆機技術(shù)的快速發(fā)展。

2 石油鉆機中的新技術(shù)及應(yīng)用

2.1 變頻驅(qū)動技術(shù)

上世紀二三十年前,我國的石油鉆機還主要靠柴油機驅(qū)動,采用的是機械傳動,而美國等國家已將以電驅(qū)動引入到大型鉆機中,在上世紀90年代末期,變頻驅(qū)動鉆機率先使用在海洋開采平臺中。我國在上世紀80年代末,研制出第一臺直流驅(qū)動的2J45D陸地電動鉆機。隨著信息和電力技術(shù)的發(fā)展,變頻技術(shù)作為一項成熟的節(jié)能技術(shù),以高效節(jié)能的優(yōu)良特性,被應(yīng)用到石油鉆井領(lǐng)域中,1997年寶石機械(寶雞石油機械有限責任公司)首次將變頻技術(shù)用在5000m鉆機上,到2002年,變頻鉆機投入系列化生產(chǎn)。目前,我國研制的交流變頻電驅(qū)動鉆機鉆進深度達到3000m－12000m,成為全球第二個能夠生產(chǎn)特大型鉆機的國家。

在國家“節(jié)能減排”的號召下,更為經(jīng)濟環(huán)保的電能驅(qū)動必然會取代傳統(tǒng)的柴油機驅(qū)動,變頻驅(qū)動技術(shù)具有調(diào)速性能優(yōu)越、省電節(jié)能等優(yōu)點,有數(shù)據(jù)顯示,在石油系統(tǒng)中使用變頻技術(shù)可節(jié)能約4成,在石油鉆機的起升系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、動力驅(qū)動系統(tǒng)等各個環(huán)節(jié)均可應(yīng)用,以此技術(shù)研制的交流變頻電驅(qū)動鉆機將現(xiàn)代電力電子技術(shù)和石油鉆井機械技術(shù)綜合起來,成為當前鉆井系統(tǒng)改造的主要方向。近幾年,利用交流變頻調(diào)速技術(shù)研制出的全數(shù)字交流驅(qū)動電動鉆機,鉆機的機械結(jié)構(gòu)更簡單,操作方便靈活、維護保養(yǎng)方便,安全性高、具有更好的可靠性和移運性。

2.2 自動化控制技術(shù)

傳統(tǒng)石油鉆井作業(yè)需要多人配合,勞動強度大,效率還不高,同時存在受傷危險。目前,自動化控制技術(shù)已滲透到各個工業(yè)領(lǐng)域,石油開采行業(yè)也不例外,力求通過鉆井自動化實現(xiàn)提高開采作業(yè)效率和安全性,降低開采成本的目的。自動化鉆井系統(tǒng)將自動化控制技術(shù)、交流變頻驅(qū)動技術(shù)、傳感檢測技術(shù)和液壓驅(qū)動技術(shù)等結(jié)合,能夠通過傳感器網(wǎng)絡(luò)把鉆井作業(yè)過程中的地層結(jié)構(gòu)變化、鉆面鉆進進度、油藏位置等信息實時傳輸給地面控制站和遠程監(jiān)測中心,可以做到遠程監(jiān)視和操控指令的下達。

國外關(guān)于自動鉆井技術(shù)的專項研究較早,應(yīng)用也更成熟,目前我國在鉆井深度領(lǐng)域的研究位于世界前列,但在鉆機自動化方面稍顯落后。國內(nèi)相關(guān)行業(yè)技術(shù)人員也做了大量研究工作,比如,寶石機械研發(fā)的管柱自動化處理系統(tǒng),使用動力貓道、鐵鉆工和自動井架工等自動化工具,通過智能控制器和執(zhí)行機構(gòu)來代替原來完全依靠人力的高強度體力工作,不僅減輕了工人勞動強度,工作環(huán)境也更加安全舒適。

2.3 計算機集成控制技術(shù)

石油鉆井作業(yè)采用自動控制技術(shù)后,由于控制對象數(shù)量的增加,一方面會造成配置重復(fù),另一方面各個單元控制系統(tǒng)相對獨立會加大司鉆人員的工作量,集成控制系統(tǒng)采用PLC對石油鉆機變頻驅(qū)動系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、頂驅(qū)系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等各子系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理,同時各個設(shè)備的信息通過網(wǎng)絡(luò)上傳給集成控制中心,將組成集成控制系統(tǒng),將鉆機各個控制單元有機整合。美國國民油井的電子司鉆Cyber Base、阿克公司的鉆井可視系統(tǒng)Drillview等,是計算機集成控制的代表。

國內(nèi)在鉆機集成控制技術(shù)方面的研究起步相對較晚,上世紀末期,我國開始了全數(shù)字鉆機電氣控制系統(tǒng)的研究,它用微處理器實現(xiàn)軟件控制,具有完善的故障自診斷、運行、顯示和保護功能,同時軟件系統(tǒng)也不斷升級,使石油鉆機的功能更趨完善、鉆井參數(shù)配置更優(yōu)化。司鉆室工作臺也更簡化整潔,司鉆人員操作起來更安全便捷和精準,提高了工作效率。

2.4 激光鉆井技術(shù)

激光鉆井技術(shù)應(yīng)用在石油開采行業(yè)中具有獨特的優(yōu)點:(1)激光能量極高,更易穿透巖石,美國Phillipse公司用MIRACL激光器進行鉆孔試驗,激光束在1s內(nèi)可穿透60mm厚的砂巖－頁巖－砂巖夾層,其穿透速度比常規(guī)鉆井速度高上百倍。(2)激光鉆井不需要鉆頭,套管等設(shè)備,不需要下套管和起下鉆柱,這樣不僅節(jié)約了鉆井成本,時間也縮短了3成。(3)傳統(tǒng)機械鉆井過程中,地層中的石油、水等流體會流入井中,易發(fā)生井噴事故,而用激光鉆井,在巖石上會形成一層陶質(zhì)層井壁,可以有效的預(yù)防此類事故發(fā)生,提高鉆進的安全性。(4)激光器系統(tǒng)中包含各種井下傳感器和圖像顯示系統(tǒng),可通過光纖電纜或無線網(wǎng)絡(luò)與地面進行通訊,使工作人員對鉆進過程有更全面的把握與控制。

美國開展的激光鉆機的研究計劃中使用美國國防部星球大戰(zhàn)計劃開發(fā)的2臺強大、有效的高能激光器。一臺是中紅外高級化學(MIRACL)兆瓦級激光器,具有的能量能燒穿軟巖石礦物質(zhì)固體材料;另一臺是化學氧化碘激光器(COIL),該激光器輸出功率高,并能在光纖中耦合,可用于深度超過4500m的鉆井,可以解決井控、側(cè)鉆和定向鉆井等問題。在國內(nèi),易先中教授從1998年就開始了激光破巖機理和射孔技術(shù)的研究,雖然我國的激光鉆井技術(shù)研究相對不成熟,但進展迅速,目前已在高功率激光的研究方面取得重大突破。

3 結(jié)束語

我國科技起步相對較晚,而且鉆機作業(yè)的復(fù)雜環(huán)境對其配套設(shè)備的要求也限制了很多新技術(shù)的推廣。除上述4種鉆井新技術(shù)外,集網(wǎng)絡(luò)信息通信技術(shù)、自動控制技術(shù)和全方位視頻監(jiān)控技術(shù)為一體的遠程司鉆技術(shù)、在線故障檢測及診斷技術(shù)、鉆井機器人等技術(shù)也是目前研究的熱點。隨著石油鉆井裝備制造企業(yè)加大科研投入,鉆井技術(shù)革新腳步的加快,必將會實現(xiàn)鉆井作業(yè)真正的智能化和自動化。

[1]于興軍,魏培靜,張青鋒等.石油鉆機自動化技術(shù)的問題及發(fā)展建議[J].石油礦場機械,2014,43(10).

[2]王進全,王維旭.國外鉆機技術(shù)現(xiàn)狀及我國的發(fā)展策略[J].石油機械,2011,39(6).

[3]張鵬飛,朱永慶,張青鋒等.石油鉆機自動化、智能化技術(shù)研究和發(fā)展建議[J].石油機械,2015,43(10).

[4]馬亮.變頻器技術(shù)在石油鉆機中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新,2012,(34).